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1、机械工程学院本科课程教学大纲机电一体化系统设计课程教学大纲英文名称：Mechatronics 课程编码：01111050学 时：36 学 分： 2.5课程性质：专业限选课 课程类别：理论课先修课程：机械原理，机械设计，电工学，数字电子技术，模拟电子技术，控制工程基础， 微机原理，电气控制技术，数控技术开课学期：秋季学期适用专业：机械电子工程专业一、课程的性质与任务本课程是机械电子工程专业的主干专业课。本课程从系统的观点出发，利用机械技术和电子技术，通过机电有机结合构造最佳的机电系统。本课程主要学习机械系统、传感检测系统、伺服系统、控制系统等设计和选择方法，讨论机电一体化系统的接口、精度设计和可
2、靠性等系统总体技术。本课程的作用和任务是：通过本课程的学习，使学生建立机电产品的一体化设计思想，把电子技术、传感器技术，自动控制技术、计算机技术和机械技术有机地结合起来，了解各项技术之间的接口关系，能运用所学知识对机电一体化产品进行分析或设计，使学生具备解决生产过程中机电设备的运行、管理、维护和改造等实际问题的初步能力。二、教学目标与要求本课程强调知识结构系统性和教学体系完整性的统一，使学生对机电一体化技术有较全面的认识，比较系统地掌握机电一体化系统各元部件的选择计算和总体设计的基本理论和方法，初步具备机电一体化系统的设计能力。教学的基本要求包括：1学习机电一体化基本概念，理解机电一体化系统中
3、各结构要素在系统中的作用和相互关系，初步建立机电产品的系统化设计思想。 2了解机电一体化系统中常用传感器、传动机构、动力驱动装置和计算机控制系统种类和特点。 3熟悉机电一体化产品的设计方法和工程路线，能够针对具体的机电一体化产品确定产品开发技术路线。 4掌握机电一体化系统中机械、传感检测、动力、控制等基本结构要素的技术特点，掌握典型装置的技术原理和使用方法。5了解典型机电一体化产品的构成、特点和设计方法，学会设计简单的机电一体化产品。三、课程的基本内容与教学要求第一章 绪论教学目的与要求：1掌握机电一体化的涵义，了解机电一体化技术的主要特点和范畴。2掌握机电一体化系统的功能构成和组成要素。3了
4、解机电一体化共性关键技术包含的内容。本章主要内容：1.1机电一体化基本概念及涵义1.2机电一体化的功能构成和组成要素1.3机电一体化的共性关键技术1.4机电一体化产品的设计方法本章重点：1机电一体化的功能构成和组成要素2机电一体化的共性关键技术本章难点：1机电一体化产品的设计方法第二章 传感器技术教学目的与要求：1掌握常用传感器的基本原理（旋转变压器、感应同步器、测速发电机、光栅尺、磁栅尺、编码器等）。2掌握检测系统的典型组成、模拟量的转换输入和数字信号的预处理等基本原理和基本电路。本章主要内容：1.1传感器的功用和特性1.2常用传感器1.3传感器的选择与使用本章重点：1各类传感器的工作原理2
5、传感器的功用和特性本章难点：1传感器的选择与使用第三章 信号调制教学目的与要求：1 掌握信号调理的基本概念（滤波、相关、调制、解调）2熟悉接口电路、放大电路、模数转换、数模转换、模拟量的转换输入和数字信号的预处理等基本原理和基本电路。本章主要内容：1.1信号调理的基本概念1.2信号的放大与滤波原理及电路1.3惠斯通电桥1.4数字信号1.5信号幅度调制与解调的工作原理及应用本章重点：1信号调理电路（滤波、相关、调制、解调）2信号变换技术(传感器接口电路、放大电路、模数转换、数模转换) 本章难点：1信号调理电路（滤波、相关、调制、解调）第四章 检测系统教学目的与要求：1掌握检测系统的组成原理，检测
6、信号的预处理。2了解系统的测试与标定。本章主要内容：1.1检测系统的功用和特性1.2检测系统的组成及原理1.3检测信号预处理1.4系统的测试及标定本章重点：1检测系统的组成及原理2检测信号预处理本章难点：1系统的测试与标定第五章 机械系统设计教学目的与要求：1掌握传动机构的种类、特点、基本要求。2了解常用执行机构的设计方法。本章主要内容：1.1传动机构1.2导向机构1.3执行机构本章重点：1滚珠丝杠副传动机构2同步带传动机构本章难点：1传动机构的设计方法2谐波齿轮传动第六章 伺服系统教学目的与要求：1了解伺服系统的一般组成、分类和三种基本组成形式。2了解步进电机的种类及结构；掌握步进电机的工作
7、原理；掌握步进电机的主要性能指标；掌握步进电机控制的基本原理；掌握步进电机的基本功率驱动电路原理和细分驱动原理。3掌握直流伺服电机特性和调速原理；掌握直流伺服电机的驱动调速方法；掌握直流伺服系统组成的基本原理。4掌握交流伺服电机特点及其调速方法；掌握变频调速装置的基本原理；了解交流伺服系统组成的基本原理；了解交流伺服电机的矢量控制。5了解几种直接驱动伺服系统、微进给装置的基本原理。掌握伺服系统惯量匹配、容量匹配原理等动力设计方法。本章主要内容：1.1伺服系统的基本结构形式及特点1.2步进式伺服驱动系统1.3直流伺服驱动系统1.4交流伺服驱动系统1.5 伺服系统的动力设计方法本章重点：1步进电机
8、、交直流伺服电机的控制与驱动。 2伺服系统的设计本章难点：1伺服电机的选择与校核2交流伺服的矢量控制第七章 控制系统的数学模型教学目的与要求：1掌握控制系统的基本模块2掌握控制理论中数学模型的作用和建立方法3掌握建立数学模型的基本方法和技巧，能对简单的系统建立数学模型本章主要内容：1.1控制系统数学模型的基本概念;1.2微分方程的建立方法和步骤； 1.3传递函数的求法；1.4控制系统数学模型的建立本章重点：1控制系统的基本模块和框图的建立2典型控制系统的控制框图本章难点：1典型环节传递函数的建立第八章 控制系统的时间响应分析教学目的与要求：1掌握时间响应概念；2了解性能指标对系统的影响；3掌握
9、系统时间响应的一般计算方法；4了解时间响应瞬态性能指标和稳态性能指标的物理意义和计算方法。本章主要内容：1.1时间响应及其组成1.2一阶系统动态响应 1.3二阶系统动态响应1.4二阶系统的动态响应指标1.5稳态性能指标（系统误差）分析计算本章重点：1一阶、二阶系统时间响应的计算2二阶系统动态响应指标分析本章难点：1控制系统动态响应方程的建立2稳态性能指标（系统误差）分析计算第九章 控制系统的频率响应教学目的与要求：1了解频率特性表示方法2能够绘制系统的幅/相频特性图和伯德图3能够分析系统的频率响应指标本章主要内容：1.1正弦输入信号1.2频率特性表示法1.3幅/相频特性图1.4伯德图1.5系统
10、的频率响应指标1.6系统的稳定性分析本章重点：1控制系统的幅/相频特性图2控制系统的伯德图本章难点：1伯德图的绘制2系统频率响应指标的分析第十章 机电一体化系统的PID控制教学目的与要求：1了解常见的控制方式2掌握比例控制、微分控制、积分控制的特点3掌握PID控制算法和参数整定本章主要内容：1.1连续和间断信号的输入1.2控制方式概述1.3两步控制方式1.4比例控制1.5微分控制1.6积分控制1.7 PID控制1.8直接数字控制法1.9控制系统的性能分析1.10控制器的校正本章重点：1PID控制的原理及特点2控制器的校正本章难点：1系统的PID控制及其性能分析第十一章 自适应控制教学目的与要求
11、：1掌握自适应控制系统2了解自适应控制的类型本章主要内容：1.1自适应控制概述1.2 自适应控制的类型本章重点：1自适应控制的定义、类型本章难点：1自适应控制的应用第十二章 机电一体化总体设计教学目的与要求：1了解机电一体化系统的总体设计方法2掌握机电一体化产品的工程路线3掌握几种典型机电一体化装置的基本组成本章主要内容：1.1机电一体化总体设计的评价及分析方法1.2机电一体化产品的技术路线1.3设计举例本章重点：1机电一体化总体设计的内容及方法2典型机电装置的系统组成以及软、硬件结构本章难点：1机电一体化系统设计的方法2典型机电一体化装置数控机床或工业机器人的基本组成及设计方法四、课程学时分
12、配讲 课 内 容学 时讲课实验上机1 绪论22 传感器23 信号调制24 检测系统25机械系统设计26 伺服驱动系统27 控制系统的数学模型28控制系统的时间响应分析29控制系统的频率响应210机电一体化系统的PID控制411自适应控制212机电一体化系统总体设计213实验（实践）教学内容10合 计36五、课程习题课（讨论课）的要求讨论课的目的在于帮助学生消化和巩固课程中的重要概念和内容，帮助学生提高分析问题解决问题的能力，指导学生查阅技术资料。通过指导学生对复杂的、有一定难度的综合性问题进行剖析、归纳、对不同设计方案进行比较、判断，启发同学进行创新思维。课堂讨论的课题明确，学生在讨论前要有准
13、备，教师要适当加以引导、归纳。课堂讨论的内容、方式、时间可由辅导教师决定。讨论课的内容主要从以下几项中选择： l典型传感器的选择、使用及注意事项； 2电机的调速和制动原理及方法； 3典型机电一体化系统的总体设计技术路线； 4典型的工业机电设备案例分析。六、实验（实践教学）内容与要求 实践教学是理论联系实际的重要环节，可以使学生验证、巩固和加深所学的基本理论，能训练学生有关的实验方法、动手能力和测量技能，养成踏实细致、严谨认真的作风。实践教学环节实施前，学生应预习相关的指导书，明确要求和内容，完成后要填写实践报告，并由指导教师批阅，评定成绩。实践教学内容包括课程研究项目和实验两部分。 课程研究项目的内容及要求：将34个同学分为一组，根据课程教学内容选取研究课题，每组要制定项目研究计划，完成详尽的研究项目报告，并要按照规定的时间对老师和同学以PPT形式进行演示汇报。根据题目选取的难易程度、研究内容的多少、研究计划的合理性、研究的透彻程度、结果分析的情况、演示汇报的情况、研究报告的撰写质量等对研究项目进行评分。通过研究项目的实施，学生可以深入掌握课程的理论知识体系，提高
